设置两根拉条的C型冷弯薄壁型钢檩条的弯扭屈曲

拉条被广泛用于增强冷弯薄壁檩条的侧向刚度,现有方法常将其视为檩条的侧向刚性支撑。然而研究表明,拉条连接位置附近檩条腹板的局部变形会显著降低拉条对檩条的侧向支撑作用,因而需采用拉条的有效刚度。为此,对在跨度两个三等分点截面分别设置拉条的C形截面冷弯薄壁檩条的弯扭屈曲进行研究,其中考虑拉条有效刚度的影响。首先,在现有文献的基础上,提出了适用于设置两根拉条的C型檩条的弯扭屈曲总势能;其次,利用总势能编制了有限元程序;然后,提出了设置两根拉条的C型檩条弯扭屈曲临界弯矩的计算式。最后利用ANSYS板壳单元和编制的有限元程序对所提出的总势能以及临界弯矩计算公式进行验证。     

跨中设拉条C形截面简支檩条绕强迫轴的弯曲和扭转

分析跨中设置1道拉条的C形截面檩条承受风吸力的情况(拉条作为檩条的侧向弹性支座),将分析结果与ANSYS板壳有限元的分析结果进行对比。结果表明:除拉条截面及两端支座附近外,上翼缘水平反力与ANSYS模型的结果符合很好,拉条反力也符合;C形截面沿檩条长度的应力,除拉条截面及附近区域外,弯扭理论分析与ANSYS有限元分析结果吻合;在拉条截面,卷边尖端的应力受畸变影响很大;C形截面压应力控制点采用EC3的方法总是偏于安全;但拉应力控制点是上翼缘卷边尖端,应在单向弯曲应力计算公式上增加畸变应力。     

拉条在檩条侧向稳定中的作用

通过将檩条受压下翼缘作为压杆,拉条作为规则布置的侧向弹簧支座,分析了使得压杆计算长度等于拉条间距的侧向弹簧支座的门槛刚度,以及刚度达不到门槛值时的临界荷载与弹簧刚度之间的关系。对厚度是1.5³ mm,截面高度是1403 mm,截面高度是140²50 mm的24个规格檩条进行了计算,对拉条刚度是否能够达到门槛刚度进行了判定。结果表明,在檩条截面较薄、拉条位置靠近拉条中心、拉条间距较小时,拉条不能起到檩条稳定性计算的侧向支座的作用,设计中应采取措施。     

设置两拉条的C形截面檩条绕上翼缘的扭转分析

对屋面板采用自攻螺钉与檩条上翼缘相连且设置两根拉条的简支檩条,在风吸力作用下的应力和变形进行分析,并与有限元分析结果进行对比。分析发现,绕上翼缘扭转的理论能够比较准确地预测下翼缘的侧向变形、拉条反力和非拉条附近的屋面板反力。拉条截面下翼缘卷边的压应力最大,采用EC3方法计算的压应力与ANSYS的结果符合;拉条截面上翼缘卷边的拉应力最大,必须考虑畸变的影响,且必须采用弯扭理论求解并计算出拉条反力,才能引入畸变正应力。     

Z形截面檩条在风吸力作用下的整体稳定分析

采用开口薄壁构件理论,推导了上翼缘受约束的Z形截面简支檩条在风吸力作用下发生弯扭屈曲的总势能,提出无拉条的与带1道拉条的檩条的临界弯矩表达式,并与采用ANSYS板壳单元建模的结果进行对比。探讨了檩条整体稳定的内在本质,并通过计算表明拉条可以作为檩条的侧向完全支撑。     

拉条和屋面板联合作用下檩条的屈曲性能研究

钢结构屋盖系统中檩条的跨度通常较大,在弯矩和轴力作用下容易发生屈曲。其稳定性通过两个方面来保证,一方面与之相连的屋面板为其提供均布的弹性约束,另一方面在檩条的腹板位置设置拉条来维持屋面系统的稳定性,相当于在檩条跨中侧面附加了一个弹簧,提供其侧向稳定。建立屋盖系统中檩条的隔离模型,分析檩条在屋面板和拉条联合作用下屈曲荷载的提高程度,验证了拉条能够对檩条稳定性起实际作用,但存在一个门槛刚度,当拉条的约束程度增加使檩条刚度达到此刚度后,再增加拉条约束对檩条的临界荷载的提高没有任何作用。此结论可为檩条和拉条稳定性设计提供理论依据。     

冷弯薄壁型钢受弯构件局部屈曲性能研究

采用有限条程序CUFSM对截面形式为TS40和TS61的19根550MPa高强冷弯薄壁型钢帽形截面简支檩条受弯构件局部屈曲应力进行分析,计算结果与试验值吻合较好。利用有限条程序对帽形截面受弯构件的翼缘宽厚比、腹板翼缘宽度比、卷边翼缘宽度比、腹板翼缘夹角等参数进行计算分析,结果表明腹板翼缘宽度比是影响帽形截面简支檩条受压翼缘局部屈曲稳定系数的重要因素。利用考虑板组相关的我国现行规范GB50018-2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》和英国冷成型薄壁构件设计标准(BS5950-5:1998)对帽形截面简支檩条受压翼缘局部屈曲稳定系数进行计算分析表明:我国规范在腹板翼缘宽度比小于1.5时偏于不安全,大于1.5时偏于保守,而英国规范相对比较安全。在参数分析的基础上,提出了考虑板组相关的帽形截面简支檩条受压翼缘弹性局部屈曲稳定系数计算公式,建议公式可供工程设计和修订规范参考。     

Z形截面檩条强度计算时的下翼缘假想水平荷载

假设屋面板与檩条采用自攻螺钉连接从而能够避免上翼缘的侧向位移。对此种连接的冷弯Z形截面檩条,在不设置拉条、风吸力作用下的应力和变形,采用薄壁构件约束扭转理论进行分析,并与采用ANSYS板壳单元的计算结果和EC3的方法进行对比,发现三者吻合非常好。通过分析发现,EC3的方法中,其下翼缘假想水平力计算公式的两个组成部分是:1)荷载偏离截面剪心产生的扭矩用平行于上、下翼缘的一对力来代替;2)绕平行轴的弯矩产生的应力采用简单的公式计算,等同于人为引进了水平弯矩,这个弯矩必须采用假想水平荷载来抵消。     

风吸力下跨中设置一根拉条的连续两跨C形檩条的弯扭屈曲

采用开口薄壁杆件理论及考虑腹板局部变形的拉条有效刚度,提出单跨跨中设置拉条的连续两跨C形冷弯薄壁檩条的弯扭屈曲的总势能;经过ANSYS的壳单元分析,从广泛的参数范围考察了檩条的屈曲模态;应用Ritz法得到风吸力作用下连续两跨C形檩条的近似临界荷载计算式,并将其临界弯矩与半跨纯弯简支檩条的临界弯矩进行比较,最终得到临界弯矩系数。     

设置拉条的连续Z形檩条的内力分析

在开口薄壁构件线性理论基础上,结合刚周边及中面剪应变为零两个基本假定并考虑拉条的弹性刚度,进行了风吸力下设置两根拉条的两跨连续Z形檩条的线性分析,得到扭转角的解析解;同时由扭转角计算内力并简化得到近似内力公式。